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EXPERIMENTO ALTERNATIVO PARA A SINTETIZAÇÃO DE KClO3 E GLICOSE EXPLOSIVA Reação de Dismutação para se obter Clorato de Potássio e reação de KClO3+glicose Relatório de aula prática apresentado ao Instituto Federal de São Paulo, Campus Capivari, como parte dos requisitos para aprovação na disciplina Química Geral II. Discentes: Davyd Gustavo Mochi Dias Isabela Meirelles Bergamasco Docentes: João B. de Medeiros Thalita Arthur Capivari - SP 2018 SUMÁRIO 1 OBJETIVO 3 2 REFERENCIAL TEÓRICO 4 2.1 Propriedades dos Cloratos de Potássio 4 2.2 Estrutura da Glicose 4 2.3 Correlação entre Sal Light e Água Sanitária 5 2.4 Combustão da Glicose 5 2.5 Liberação de energia 6 3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 7 3.1 Reagentes e materiais 7 3.2 Métodos 7 3.2.1 Busca por soluções caseiras 7 3.2.1.1 Busca por soluções práticas 7 3.2.2 Reação de dismutação e troca de íons 7 3.2.2.1 Reação de dismutação e troca de íons eficiente 8 3.2.3 Filtragem e secagem da amostra 9 3.2.3.1 Reconstituição de filtração a vácuo 9 3.2.4 Métodos de comprovação de Clorato de Potássio 10 3.2.5 Reação de combustão 11 3.2.5.1 Reação de combustão efetiva 11 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO 12 4.1 Obtenção de clorato de potássio 12 4.1.1 Obtenção de clorato de potássio efetivo 12 4.2 Rendimento da sintetização de clorato de potássio 13 4.2.1 Rendimento da sintetização efetiva 13 4.3 Análise de combustão 15 4.4 Resíduos resilientes 15 5 CONCLUSÃO 16 REFERÊNCIAS 17 2 1 OBJETIVO Primeiramente o objetivo era de realizar um experimento de combustão entre a glicose com o Clorato de Potássio, para ocorrer pequenas explosões, mas como não se há acesso ao reagente (KClO3), o então objetivo passa-se a ser a obtenção de Clorato de Potássio a partir da dismutação deste com materiais caseiros e plausíveis de serem encontrados no dia a dia. Para então, posteriormente demonstrar o que acontece quando se faz reagir uma quantidade de glicose com Clorato de Potássio em uma reação de combustão. 3 2 REFERENCIAL TEÓRICO 2.1 Propriedades dos cloratos de potássio Cloreto de Potássio:Sal inorgânico, considerado o mais inofensivo dos reagentes a base de cloreto de potássio (KCl), uma substância sem riscos ou perigos com regentes ou temperaturas, é estável e faz parte da reação de dismutação neste experimento. Clorato de Potássio: Sal inorgânico, ainda possível de ser controlado tem suas estabilidades em cheque quando ultrapassa temperaturas muito elevadas, podendo chegar a explosões não tão intensas quanto o perclorato, mas que trariam perigo o suficiente para o ser humano. Por ser uma substância muito volátil, ela foi o ingrediente chave em épocas antigas, nas antigas armas de fogo, que atualmente são abastecidas e contempladas com o uso do perclorato de potássio; nos dias atuais esse clorato de potássio é utilizado na fabricação de fogos de artifício, pois em sua composição há o elemento potássio que quando aquecido gera uma luz colorida, em tons rosados e lilases. Perclorato de Potássio: Sal inorgânico, o mais forte da família dos cloratos de potássio, (KClO4), tem altos riscos de grande perigo quando entra em contato com materiais combustíveis e agentes redutores, o tornando uma substância química extremamente instável e explosiva, por isso que esta substância não é recomendável no uso de experimentos que comprovam essa interação na parte explosiva do perclorato de potássio (KClO4 + C6H12H6). 2.2 Estrutura da glicose A glicose (C6H12O6) é um dos mais conhecidos monossacarídeos da família das aldoses, possui sua estrutura com a cadeia de carbono linear (pode-se obter também da forma cíclica) e simples, como mostra sua estrutura na figura 1; é muito reativo quando está em contato com substâncias que são instáveis em altas temperaturas e necessitam de um combustível para se exporem em suas propriedades organolépticas explosivas. Por isso que 4 quando deseja-se obter reações eficientes para o uso de fogos de artifício, por exemplo, a glicose em conjunto à cloratos formam a combinação perfeita. Figura 1: Fórmula estrutural da glicose Fonte:https://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved= 2ahUKEwiAnMbPuKfdAhVBso8KHbisDdIQjRx6BAgBEAU&url=https%3A%2F%2Fbrasilescola.uol.com.br %2Fquimica%2Fglicose.htm&psig=AOvVaw1TE8x-lv-q0wqy74iazxE0&ust=1536359781157328 Acesso em: 05/12/2018. 2.3 Correlação entre sal light e água sanitária O Sal Light é um sal hipossódico, que contém 50% menos sódio, ou seja, um sal iodado, que contém cerca de 25% á 50% de Cloreto de Potássio. O Cloreto de Potássio tem em sua propriedade a capacidade de reter menos água do que o normal, por isso que sua consumação é de bom uso, recomendado para casos de inchaço ou endemias, que necessitam da capacidade de reter menos líquidos no organismo. A Água Sanitária é uma solução basicamente composta por Hipoclorito de Sódio, com uma proporção de “cloro ativo” em cerca de 2% a 2,5%. Pelo cloro ser uma das substâncias mais reativas ações de desinfecção e oxidação (oxigênio nascente) nas ações de branqueamento. Entretanto, devido a sua extrema reatividade, o uso e o manuseio do gás cloro exigem cuidados rigorosos e operadores qualificados. 2.4 Combustão da glicose A combustão consiste na reação química entre dois ou mais reagentes (combustíveis e comburentes), no caso a glicose e o Clorato de Potássio, respectivamente, com grande liberação de energia na forma de calor. Assim, 5 https://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwiAnMbPuKfdAhVBso8KHbisDdIQjRx6BAgBEAU&url=https%3A%2F%2Fbrasilescola.uol.com.br%2Fquimica%2Fglicose.htm&psig=AOvVaw1TE8x-lv-q0wqy74iazxE0&ust=1536359781157328 https://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwiAnMbPuKfdAhVBso8KHbisDdIQjRx6BAgBEAU&url=https%3A%2F%2Fbrasilescola.uol.com.br%2Fquimica%2Fglicose.htm&psig=AOvVaw1TE8x-lv-q0wqy74iazxE0&ust=1536359781157328 https://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwiAnMbPuKfdAhVBso8KHbisDdIQjRx6BAgBEAU&url=https%3A%2F%2Fbrasilescola.uol.com.br%2Fquimica%2Fglicose.htm&psig=AOvVaw1TE8x-lv-q0wqy74iazxE0&ust=1536359781157328 todas as reações de combustão são extremamente exotérmicas (mesmo que necessitem de uma fonte de ignição para ocorrerem). A reação de combustão da glicose, neste caso, pode-se ser realizada de duas maneiras, a primeira com a ebulição do KClO3, e a introdução de uma goma de glicose junto a este, e a segunda, com a mistura, antes mesmo de adicionar qualquer fonte de calor, de KClO3 com C6H12O6. Portante após seu contato em conjunto com fogo, a velocidade da reação ocorre muito mais rápido e intensamente, tanto pela concentração de reagentes, quanto pela facilidade das moléculas de açúcar estarem bem mais distribuídas e menos englobadas. Reação de Combustão entre Glicose e Clorato de Potássio: C6H12O6(s) + 4KClO3(s) → 6CO2(g) + 6H2O(g) + 4KCl(s) 2.5 Liberação de energia Todas as reações químicas liberam ou absorvem energia do ambiente de alguma forma. A liberação de energia destas reações, são obtidas todas em forma de calor, ou seja, por reações endotérmicas ou exotérmicas. Deste modo pode-se observar que a reação de dismutação, com elevadas temperaturas que o fazem dismutar os íons, necessita da absorção de calor para que sua dismutação ocorra, portanto caracteriza-se uma reação endotérmica, enquanto a reação de combustão da glicose com o Clorato de Potássio, caracteriza-se reação exotérmica, ou seja, liberam calor em forma de energia suficiente para que visivelmente sejam percebidas ou sentidas. 6 3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.1 Reagentes e materiais Reagentes: Água Sanitária (2% a 2,5%) pois utilizará deste Hipoclorito de Sódio (NaClO);Cloro Concentrado (8%) para extrair o Hipoclorito de Sódio (NaClO); Salde cozinha Light (Cloreto de Potássio); Cloreto de Potássio (KCl); Água; Clorato de potássio (KClO3(s)); Bala de Goma de açúcar (contendo sacarose C12H22O11(s)). Materiais: Béquer 1000 mL; Bico de Bunsen; Balão de Erlenmeyer; Bastão de vidro; Placa de Petri; Capela; Tripé; Tela de amianto; Kitassato; Suporte Universal; Funil de Büchner; Bomba de vácuo; Almofariz; Papel filtro; Termômetro; Garra; Dessecador; Balança Analítica; Tubo de ensaio; Baqueta (para empurrar a bala se necessário) e Espátula. 3.2 Métodos 3.2.1 Busca por soluções caseiras Procura-se soluções para a obtenção de clorato de potássio, com isso descobrir uma forma fácil e rápida de ser feito. Através do Sal de cozinha light para obter o cloreto de potássio e a Água Sanitária pois nela há Hipoclorito de sódio, eles se fundem formando o produto desejado. 3.2.1.1 Busca por soluções práticas Procura-se soluções para obtenção de clorato de potássio, diante da inexatidão da primeira tentativa. A concentração foi dada como principal fator do erro, então busca-se novas metodologias com maior índice dos reagentes, encontra-se Cloro Concentrado/ cloro piscina (8% de Hipoclorito de sódio (NaClO)) e Cloreto de Potássio P.A. (KCl); da mesma forma eles se fundem formando o produto desejado. 3.2.2 Reação de dismutação e troca de íons Monta-se o sistema de aquecimento dentro do exaustor, com o mesmo desligado. Adiciona-se 500ml de Água Sanitária (com 2% a 2,5% de Hipoclorito 7 de sódio (NaClO)) no béquer de 1L, aquecê-lo, com a ajuda do tripé e da tela de aquecimento, no bico de bunsen, para que esta entre em ebulição e se precipite. Após esse efeito resfria-se a solução em alguns graus no exaustor ligado. Enquanto é refrigerado, dissolve-se o Sal de cozinha light (com 25% de Cloreto de Potássio (KCl) em água dentro de um Balão de Erlenmeyer, até que se forme um corpo de fundo. Já refrigerado, mistura-se as substâncias, e deixa-se descansar por 24 horas, enfim, inicia-se a dismutação completa para a obtenção de clorato de potássio, que será realmente contemplada após a filtragem da amostra. 3.2.2.1 Reação de dismutação e troca de íons eficiente Monta-se o sistema de aquecimento dentro do exaustor, com o mesmo desligado. Adiciona-se 500ml de Cloro Concentrado (8% de Hipoclorito de sódio (NaClO)) no béquer de 1L, aquecê-lo, com a ajuda do tripé e da tela de aquecimento, no bico de bunsen, para que esta entre em ebulição e se precipite. Após esse efeito resfria-se a solução, de 200ml que foi precipitado, em alguns graus no exaustor ligado. Enquanto é refrigerado, dissolve-se 72g de Cloreto de Potássio (KCl) em 200ml de água, segundo seu gráfico de solubilidade (LeMay e Brown, 13ªed. 2017, 571), dentro de um Balão de Erlenmeyer, até que se forme um corpo de fundo. Já refrigerado, mistura-se as substâncias, e deixa-se descansar por 24 horas, enfim, inicia-se a dismutação completa para a obtenção de clorato de potássio, que será realmente contemplada após a filtragem da amostra. Gráfico 1: Solubilidade de KCl em água em função da temperatura. Fonte: Livro Química: A Ciência Central (LeMay e Brown, 13ªed. 2017, 571). 8 3.2.3 Filtragem e secagem da amostra Essa mesma amostra, já descansada, é levada para o sistema de filtragem sob pressão reduzida; que consiste em uma bomba de vácuo conectada a um kitassato, com um funil de Büchner e um papel filtro, sustentando esse sistema utiliza-se uma garra acoplada a um suporte universal. Depois da filtragem, pesa-se, identificasse e leva-se para o dessecador por aproximadamente 15 dias. A secagem consiste na desidratação de um analito, pelo uso do dessecador composto por sílica, que absorve da substância sua parte líquida. Ao final desse período, observa-se uma solução completamente sólida. Figura 2: Filtração a vácuo de solução de KClO3. Fonte: própria autoria. 3.2.3.1 Reconstituição de filtração a vácuo A reconstituição da filtração é feita com o mesmo processo, e o sistema de filtragem igual ao anterior. A grande diferença fica por conta da dessecagem, na etapa antecedente a amostra ficou cerca de 15 dias (360 horas) no dessecador, já a nova mistura 24 horas. Esse novo procedimento é adotado para controlar possível contaminação. Então, obteve-se um Clorato de Potássio muito mais puro, comparado ao primeiro. Figuras 3 e 4: Reconstituição de filtração a vácuo de KClO3. Fonte: própria autoria. 9 3.2.4 Métodos de comprovação de Clorato de Potássio Após a amostra secada e descansada, realiza-se um pequeno procedimento para que verifique-se o que é o nosso produto formado. Consiste em fazer o teste de chama, que é um importante método de identificação, principalmente de cátions metálicos, utilizado na análise química. Para fim de identificar a cor da chama, faça-se esse seguinte procedimento, segundo a orientação dos docentes: Mergulhar um fio de platina em um frasco com HCl concentrado, em seguida misturá-lo com o nosso produto, e por último levá-lo até um bico de bunsen e analisar a coloração da chama após o contato com o fio de platina. Esse procedimento foi feito nos dois produtos gerados. Figura 5: Teste de chama do produto 1. Figura 6: Teste de chama do produto 1. Fonte: própria autoria. Fonte: própria autoria Figura 7: Teste de chama do produto 2. Figura 8: Teste de chama do produto 2. Fonte: própria autoria. Fonte: própria autoria. 10 Observe-se que nas figuras 7 e 8 a coloração da chama é lilás, enquanto a amostra do primeiro produto (representado pelas figuras 5 e 6) nota-se que a chama é amarelada devido a outros sais ali presente como impureza. 3.2.5 Reação de combustão Prepara-se um sistema de aquecimento do clorato de potássio, que consiste em, comportar com o auxílio de uma garra e um tripé o tubo de ensaio inclinando-o aproximadamente 45° graus sobre um bico de Bunsen, com 3 colheres pequenas do produto. Nessa tentativa de decomposição contesta-se que a impureza do produto desejado é muito elevada, com isso a decomposição não se efetiva. 3.2.5.1 Reação de combustão efetiva Novamente encontra-se a mesma barreira diante do procedimento realizado anteriormente a esse, procura-se soluções para que se realize a combustão. Encontra-se uma nova forma que consiste em misturar-se em uma proporção de 5 colheres do produto, para 3 de açúcar em um almofariz, em seguida coloque-se fogo em um pedaço de madeira longo (palito de churrasco), leva-se até a mistura, faça-se círculos dentro do almofariz de forma que o açúcar e o clorato tenham contato com o fogo, nisso ocorre uma combustão que consome a mistura, produzindo uma chama lilás, que dessa maneira se contesta que o produto formado é clorato de potássio, mesmo que em parte. 11 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1 Obtenção de clorato de potássio Diante da reação de Dismutação, já foi possível se observar uma quantidade muito abaixo do esperado de precipitação, cerca de 50 ml, que quando trocado, proporcionalmente, os íons com 4,8g de KCl, observa-se que cerca de 7g de solução se forma, ou seja, há mais solução do que soluto, portanto, entende-se que a maior parte desta solução contém impurezas provenientes dos sais dismutados, que ainda se encontram presentes na solução. Algo que significativamente atrapalha na obtenção de Clorato de Potássio, fazendo com que esse primeiro experimento não se torne eficiente o suficiente para suprir o requerido. 4.1.1 Obtenção de clorato de potássio efetivo A partir da reação de Dismutação, foi possível observar as diferentes mudanças comportamentais na temperatura com relação ao tempo, com isso, para que se tornasse algo mais visível, foi feito um gráfico de linha, que demonstra a Curva de Aquecimento, enquanto dismuta o 3NaClO em NaClO₃. Gráfico 2: Curva de Aquecimento do Cloro Ativo enquanto dismutado. Fonte: própria autoria. Após a dismutação, realizou-se, então, a troca de íons do Cloreto de Potássio com o Clorato de Sódio, para formar Cloreto de Sódio e Clorato de Potássio. 12 Diante a essesmétodos, obtém-se, uma quantidade significativamente maior que o primeiro experimento, de Clorato de Potássio, cerca de 64g de solução, que para além de se obter uma maior quantidade, observa-se-o muito mais cristalizado, com uma chama muito mais lilás e se tornou mais comburente do que anteriormente. 4.2 Rendimento da sintetização de clorato de potássio A sintetização de Clorato de Potássio foi feita a partir de duas partes, a reação de dismutação: 3NaClO → 2NaCl + NaClO₃ e a reação de troca de íons: KCl + NaClO3 → NaCl + KClO₃ Obteve-se então uma quantidade de Clorato de Potássio, 7g. Deste entende-se que a maior parte é impurezas ou resíduos resilientes de outras etapas, devido a isso não consegue-se calcular o rendimento da solução. Figura 9: Produção não eficiente de KClO3, com a utilização de água sanitária e sal light. Fonte: própria autoria. 4.2.1 Rendimento da sintetização efetiva A sintetização de Clorato de Potássio foi feita a partir de duas partes, só que desta vez foram se utilizados reagentes e concentrações eficientemente mais potentes, a reação de dismutação: 3NaClO → 2NaCl + NaClO₃ e a reação de troca de íons: KCl + NaClO3 → NaCl + KClO₃ Obteve-se então uma significativa quantidade de Clorato de Potássio cristalizado, 64g de KClO3. 13 Figura 10: Síntese de KClO3 eficiente, com a utilização de cloro ativo e cloreto de potássio puro. Fonte: própria autoria. E a partir destas reações, é possível se calcular o rendimento de Clorato de Potássio obtido: KCl + NaClO3 → NaCl + KClO₃ 1 mol 1mol 1mol 1mol x x 72g de KCl (Cloreto de Potássio) para 200 ml de solução 64g de KClO3 (Clorato de Potássio) para 200ml de solução M (KCl) = 74g/mol M (KClO3) = 122g/mol n = m/M n= número de mol m= massa M= massa molar n (KCl) = 72g/ 74g/mol = 0,97mol n (KClO3) = 64g/ 122g/mol = 0,52mol 100% - 0,97mol x - 0,52mol 0,97mol.x = 0,52mol. 100% x ≅ 54% 14 4.3 Análise de combustão Analisa-se a combustão dos 2 produtos, no primeiro nota-se que mesmo ocorrendo a queima ela é muito inferior ao do segundo produto, pois a impureza dela impede com que o clorato de potássio e a glicose se reagem entre si, desta maneira a combustão consome uma pequena parte do produto e do açúcar, já no outro produto, a glicose e o clorato de potássio é quase que todo consumido pelo fogo. Lembra-se que os dois produtos estavam na mesma proporção, 5 de clorato de potássio, para 3 de açúcar . QR Code: Link para assistir o vídeo da combustão do Clorato de potássio com a glicose, experimento 2. Fonte: própria autoria. 4.4 Resíduos resilientes Após a combustão, obtém-se a glicose e o clorato de potássio carbonizados com a análise anterior, descartando-se os mesmos em um lixo comum no laboratório, pois não há neles quantidades e propriedades necessárias para a contaminação do solo. O mesmo procedimento refere-se às duas operações que se realizam neste presente documento. Figura 11: Resíduos da combustão da combustão 1. Figura 12: Resíduos da combustão 2. Fonte: própria autoria. Fonte: própria autoria.. 15 5 CONCLUSÃO Conclui-se que a forma de obtenção de Clorato de Potássio mais eficiente, seja a mais prática de se obter em laboratórios e reagentes mais puros e concentrados, ao contrário do que era esperado com os reagentes caseiro. Mas sem deixar de atender as expectativas, consegue-se obter uma quantia significativa de Clorato de Potássio, onde sua comprovação em forma de combustão com a glicose, atingindo o objetivo inicial, ocorra da maneira mais eficaz possível. Contudo, esses experimentos contribuem para demonstração de autonomia, capacidade e criatividade, colocando algo, notoriamente complexo de se obter, como resultado de processos simples e palpáveis, destacando a perseverança e o reconhecimento da possibilidade de se aprender a partir de faltas e em um ambiente de constante desafio, sem deixar com que erros se tornem fins e a busca pelo acessível continue, até seu sucesso profissional. 16 REFERÊNCIAS LABSYNTH, Produtos para Laboratórios Ltda. FICHA DE INFORMAÇÕES DE SEGURANÇA DE PRODUTOS QUÍMICOS: CLORETO DE POTÁSSIO . Av. Dr. Ulysses Guimarães, 3.857 – Vila Mary – Diadema - SP, 15/04/2009. 1/3 p. Disponível em:<https://www.fca.unicamp.br/portal/images/Documentos/FISPQs/FISPQ-%2 0Cloreto%20de%20Potassio.pdf>. Acesso em: 4 dez. 2018. SILVA, Ronaldo da Luz. Clorato de Potássio em reação violenta com doce. 14 DE JUNHO DE 2011. Disponível em:<https://quimicaensinada.blogspot.com/2011/06/potassium-chlorate-and-gu mmy-bear.html>. Acesso em: 4 dez. 2018. ROTH. Ficha de Dados de Segurança: Clorato de potássio ≥ 99,7%, cristalino. 07.10.2016. 1/13 p. Disponível em:<https://www.carlroth.com/downloads/sdb/pt/7/SDB_7959_PT_PT.pdf>. Acesso em: 4 dez. 2018. FOGAÇA, Jennifer Rocha Vargas."Glicose"; Brasil Escola. Disponível em <https://brasilescola.uol.com.br/quimica/glicose.htm>. Acesso em 04 de dezembro de 2018. ULATE, Beatriz Lourenço Venegas . Qual a diferença entre sal comum e sal light?. Folha de Londrina, AGO. 23, 2013. Disponível em:<https://www.bonde.com.br/saude/tire-suas-duvidas/qual-a-diferenca-entre- sal-comum-e-sal-light--287127.html>. Acesso em: 4 dez. 2018. COMPANHIA ELETROQUÍMICA JARAGUÁ. PERCLORATO DE POTÁSSIO .Praça Dom José Gaspar, 134 - Cj. 162 - CEP: 01047-010 - São Paulo / SP, 02/07/2009. 1/5 p. Disponível em:<https://docs.google.com/document/d/13gRkrpHwh3b6zbC9iC7Jd4ve8goTc ptqfflAzxLmVTk/edit>. Acesso em: 4 dez. 2018. COMO fazer clorato de potássio usando água sanitária. Produção de Química Importada. 14 de jan de 2017. Acadêmico (8:05). Disponível em:<https://www.youtube.com/watch?v=QapX8pgq39E>. Acesso em: 4 dez. 2018 MAICON, Química. Pirotutoriais. Experimentos: Clorato de Potássio. 29 ago. 2012. Disponível em: <http://pirotutoriais-experimentos.blogspot.com/2012/08/experimentos.html?m 1> Acesso em: 2018. 17 http://pirotutoriais-experimentos.blogspot.com/2012/08/experimentos.html?m=1 http://pirotutoriais-experimentos.blogspot.com/2012/08/experimentos.html?m=1
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